在离散的同手性金纳米螺旋结构上进行的手性印迹，以实现高对映选择性的自由手性分析物识别

《Journal of Colloid and Interface Science》：Chiral imprinting on discrete homochiral Au nanohelicoids for free chiral analyst recognition with high enantioselectivity

本工作提出化学与物理双手性印迹策略，利用高指数面金纳米三棱锥种子介导的过生长法制备离散同向手性金纳米螺旋（dc-au NHs），表面修饰4-巯基吡啶（MPY）构建 chirality-dependent SERS 传感器。通过氢键化学印迹与亚对称电磁场物理印迹协同作用，实现1-甲氧基-2-丙醇、2-丁醇及色氨酸的检测限达10??~10?? M，相对标准偏差<7%，主成分分析（PCA）验证异构体光谱在10?? M以上完全分离（置信度85%）。

　　在现代科学与技术的快速发展中，手性分子的识别和区分已成为一个备受关注的研究领域。手性分子，即具有不对称结构的分子，其在生物过程、药物开发、化学催化及材料科学等领域中发挥着至关重要的作用。然而，由于手性分子的两个对映体在化学组成上完全相同，但其物理和化学性质却存在显著差异，因此，如何高效、准确地识别这些对映体仍然是一个挑战。特别是在医疗、环境监测和食品安全等实际应用中，手性识别技术的可靠性和灵敏度尤为重要。

本文提出了一种结合化学与物理手性印迹策略的新方法，用于构建具有手性依赖性的表面增强拉曼散射（SERS）传感器，从而实现对对映体分子的高效识别。这种方法的核心在于利用具有高指数面的离散同手性金纳米螺旋（dc-Au NHs）作为基底，并通过表面功能化引入化学手性捕获单元，以增强对目标分子的手性识别能力。此外，通过调控局部电磁场的分布，实现了物理手性印迹，进一步提升了SERS信号的区分度。这种双手性识别中心的设计，不仅提高了传感器对目标分子的捕获效率，还增强了其对不同对映体的响应差异，从而实现了更精确的检测。

手性分子在自然界中广泛存在，其对映体之间的性质差异可能导致截然不同的生物学效应。例如，在药物开发中，某些对映体可能具有显著的药理活性，而另一些则可能具有毒性甚至致癌性。因此，手性识别技术在制药行业、医学诊断和环境分析中具有重要的应用价值。传统的手性识别方法，如气相色谱、高效液相色谱、毛细管电泳、核磁共振光谱和圆二色光谱等，虽然在一定程度上能够实现对映体的分离和检测，但这些方法通常需要复杂的设备、较长的分析时间和高昂的成本，难以满足实际应用中对快速、低成本和高灵敏度的要求。

近年来，SERS技术因其能够实现单分子检测并提供独特的“指纹”振动光谱而被广泛应用于分子识别领域。然而，传统的SERS基底通常具有对称的结构，导致其对不同对映体的响应信号几乎相同，无法有效区分。为了解决这一问题，研究者们尝试通过化学和物理方法构建具有手性依赖性的SERS传感器。化学手性印迹策略通常涉及在贵金属纳米颗粒表面引入具有特定手性的分子识别单元，以实现对映体的特异性捕获。例如，通过在银纳米颗粒或金纳米棒表面修饰手性分子如MPY（4-巯基吡啶）或MPBA（4-巯基苯甲酸），可以增强对特定对映体的识别能力。这种策略的关键在于识别单元与对映体之间的手性选择性相互作用，如氢键作用和疏水效应，这些相互作用会改变对映体的电子结构，从而产生不同的SERS信号。

物理手性印迹策略则主要依赖于手性纳米结构的几何特性，通过构建不对称的电磁场来增强对映体的SERS信号差异。例如，手性纳米颗粒、手性纳米环和手性超表面等结构可以产生不对称的电磁场分布，使得对映体在与这些结构发生共振耦合时产生不同的信号强度。这种策略的优势在于无需引入额外的识别单元，而是通过纳米结构本身的不对称性实现对映体的区分。然而，大多数物理手性印迹策略依赖于特定的纳米结构设计，且在实际应用中可能存在一定的局限性，如对目标分子的亲和力不足或检测灵敏度较低。

本文的研究团队通过结合化学与物理手性印迹策略，构建了一种新型的SERS传感器，以实现对映体的高效识别。他们首先利用高指数面的金凹面纳米颗粒作为种子，通过手性配体诱导的种子介导生长方法，成功制备了具有强手性光学响应的离散同手性金纳米螺旋（dc-Au NHs）。随后，团队在dc-Au NHs表面引入MPY分子，形成化学手性识别层。这种化学手性识别层能够与目标分子发生手性选择性的氢键相互作用，从而增强SERS信号的差异。此外，dc-Au NHs的几何结构也能够产生不对称的局部电磁场，进一步放大对映体之间的信号差异。通过这种双手性识别中心的设计，研究团队实现了对多种手性分子（如1-甲氧基-2-丙醇、2-丁醇和色氨酸）的高效识别。

在实验验证中，研究团队发现，在L-Au NHs/MPY体系中，L型分析物的SERS信号强度显著高于D型分析物，而在D-Au NHs/MPY体系中则相反。这种显著的信号差异表明，该传感器能够有效区分不同对映体。此外，实验结果还显示，该方法能够在极低的浓度下（如10?? M的1-甲氧基-2-丙醇和2-丁醇，以及10?? M的色氨酸）实现对映体的可靠识别，且其批次间的相对标准偏差（RSD）低于7%，表明该方法具有良好的重复性和稳定性。主成分分析（PCA）进一步验证了该传感器在10?? M及更高浓度下能够完全区分L型和D型对映体，置信度达到85%。

这一研究不仅为手性分子的识别提供了新的思路和方法，也为开发高灵敏度、低成本和高稳定性的手性传感器奠定了基础。通过结合化学与物理手性印迹策略，该方法在不依赖复杂设备和昂贵试剂的情况下，实现了对映体的高效识别，具有广阔的应用前景。未来，研究团队计划进一步优化该传感器的性能，探索其在更多手性分子检测中的适用性，并将其应用于实际的生物医学和环境监测场景中。

此外，本文的研究成果还为理解手性分子与纳米结构之间的相互作用提供了新的视角。通过构建具有手性识别能力的纳米结构，研究团队不仅提高了SERS信号的区分度，还揭示了手性识别的多因素机制。这种多因素机制包括化学识别单元与对映体之间的相互作用，以及纳米结构本身的不对称性对电磁场分布的影响。这种综合性的手性识别策略，有望为开发新一代的手性传感器提供理论支持和技术指导。

在实验方法方面，研究团队采用了高效的种子介导生长策略，利用高指数面的金纳米颗粒作为种子，通过调控反应条件，成功制备了具有特定手性构型的离散同手性金纳米螺旋。这一方法的优势在于其时间效率和能量效率，能够在较短时间内完成纳米结构的合成，并且避免了传统方法中可能存在的能量浪费问题。此外，通过引入MPY分子，研究团队在纳米结构表面构建了化学手性识别层，这一层能够与目标分子发生特异性相互作用，从而增强SERS信号的差异。实验结果表明，这种化学手性识别层不仅提高了传感器的识别能力，还增强了其对目标分子的捕获效率。

物理手性印迹策略则依赖于纳米结构的几何特性，通过不对称的电磁场分布来增强对映体的SERS信号差异。在本研究中，dc-Au NHs的不对称结构使其能够产生不对称的局部电磁场，这种电磁场在与对映体发生共振耦合时，能够显著放大SERS信号的差异。这种物理手性印迹策略的优势在于其无需额外的识别单元，而是通过纳米结构本身的不对称性实现对映体的区分。然而，这种策略对纳米结构的几何设计提出了更高的要求，需要精确控制其形状和尺寸，以确保电磁场的不对称性能够有效放大对映体之间的信号差异。

综合来看，本文提出的手性识别方法通过化学与物理手性印迹策略的结合，实现了对映体的高效识别。这一方法不仅提高了检测的灵敏度和选择性，还降低了实验成本和复杂度，为手性分子的检测提供了新的解决方案。未来，随着纳米材料合成技术的不断进步，这种双手性识别中心的设计有望在更多领域中得到应用，如药物开发、生物医学诊断和环境监测等。同时，研究团队也计划进一步探索该方法在其他类型手性分子检测中的适用性，以拓宽其应用范围。

本文的研究成果不仅在理论层面具有重要意义，也在实际应用中展现出巨大的潜力。通过构建具有手性识别能力的纳米结构，研究团队为手性分子的检测提供了一种新的思路，即通过化学与物理手性印迹策略的结合，实现对映体的高效识别。这一方法的创新性在于其综合了化学识别和物理增强两种机制，从而在不依赖复杂设备和昂贵试剂的情况下，提高了检测的灵敏度和选择性。此外，该方法还具有良好的重复性和稳定性，能够满足实际应用中对可靠性和一致性的要求。

在实际应用中，手性识别技术可以用于药物纯度检测、环境污染物分析和食品安全监测等领域。例如，在药物开发过程中，对映体的纯度和活性是评估药物质量的重要指标。通过使用本文提出的手性SERS传感器，可以快速、准确地检测药物中的对映体含量，从而确保药物的安全性和有效性。在环境监测方面，某些污染物可能具有手性结构，其对映体可能对生态系统和人类健康产生不同的影响。通过手性识别技术，可以更全面地评估环境中的污染物水平，为环境保护提供科学依据。在食品安全监测中，手性分子的识别可以用于检测食品中的添加剂和污染物，确保食品的安全性。

此外，本文的研究也为纳米材料的合成和应用提供了新的思路。通过利用高指数面的种子和手性配体，研究团队成功制备了具有特定手性构型的纳米结构，这种结构不仅具有良好的手性光学响应，还能够通过化学和物理手性印迹策略实现对映体的高效识别。这种纳米结构的合成方法具有一定的普适性，可以用于制备其他类型的纳米材料，如手性金纳米棒、手性银纳米颗粒等，从而拓展其在不同领域的应用。

总的来说，本文提出的手性识别方法为解决手性分子检测中的关键问题提供了新的思路和工具。通过结合化学与物理手性印迹策略，研究团队成功构建了一种具有双手性识别中心的SERS传感器，能够高效、准确地识别不同对映体。这一方法不仅提高了检测的灵敏度和选择性，还降低了实验成本和复杂度，具有广泛的应用前景。未来，随着相关技术的不断发展和完善，这种手性识别方法有望在更多领域中得到应用，为科学研究和实际应用提供有力支持。